CN113957292A - 一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料 - Google Patents

一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料及其制备方法，该加氢反应器装备用高纯镍基合金材料包括以下重量份数的原料：C＜0.01%、Si＜0.08%、Mn＜0.5%、S＜0.01%、P＜0.01%、Mo：15%‑17%、Cr：15%‑16.5%、Fe：4%‑7%、V＜0.35%、Co＜2.5%、W：3%‑4.5%、Ni余量；并采取激光熔化技术，制备成镍基合金材料。本发明产品有效改善现有技术中存在焊接热裂、抗拉强度、硬度、耐磨性等不足，具有较大的商业前景。

Description

一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料。
背景技术
近年来，随着化工产业的发展，化学反应装备等配套产业的要求也越来越高。常用加氢反应器设备在常规使用过程中会遇到高温、高压、液体酸碱腐蚀、气体冲蚀；以及腐蚀后的更换焊接等问题。常规的合金材料难以满足安全生产的要求。
经过调研，由于选材不当，国内外都出现过运行过程中设备发生腐蚀泄漏的事故，给装置的长周期安全运行带来极大隐患，也给企业带来很大经济损失。因此，提高行业中关键部位设备壳体内壁的抗腐蚀、耐磨、抗高压等性能，保证设备在这种工况下安全运行迫在眉睫。
镍基合金是以镍、钴、铁为基，具有很高的高温强度、韧性、耐氧化性和疲劳强度；在大气、天然气、海水、中性盐及碱等介质中，具有耐腐蚀性能。因此，选用镍基合金焊材进行设备壳体内壁堆焊，以达到设备的耐腐蚀性能要求；且镍金属作为加氢反应的催化剂具有较好效果。但常规镍基合金存在硬度低，抗拉强度不高、焊接存在热膨胀致热裂的问题。因此急需开发出一种不存在焊接热裂、高硬度、高强度的镍基合金材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中加氢反应器镍基合金材料存在焊接热裂、抗拉强度、硬度、耐磨性等不足，提供了一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
C＜0.01％、Si＜0.08％、Mn＜0.5％、S＜0.01％、P＜0.01％、Mo：15％-17％、Cr：15％-16.5％、Fe：4％-7％、V＜0.35％、Co＜2.5％、W：3％-4.5％、Ni余量。
作为优选，所述Fe与W总量不超过10％。
作为优选，所述Co与W重量比为1:2-1:4。
作为优选，所述Co与W重量比为1:2。
作为优选，所述C、S、P总量不超过0.02％。
作为优选，所述V的含量为0.25％-0.35％。
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取合适粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
作为优选，所述筛粉步骤选取的是粒径在15μm-45μm的粉末。
作为优选，所述成型时激光参数为：激光功率400-600W，扫描速度1000-1200mm/s，线间距0.1-0.12mm。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供了一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其中微量的C可与Cr、W在高温下可形成纳米碳化铬、碳化钨结构，可有效提高合金的硬度、解决焊接热裂问题。
(2)本发明提供了一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，通过控制Fe的含量、适量增加Co、V以及W的含量，可有效提高材料的耐腐蚀、耐磨性及机械强度。
(3)本发明提供了一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，可制作镍合金导线作为加氢反应器优良的催化剂。
具体实施方式：
以下结合实施例对本发明进行详细说明。但应理解，以下实施例仅是对本发明实施方式的举例说明，而非是对本发明的范围限定。
实施例1
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.008 0.03 0.44 0.005 0.005 15 15 4.8 0.35 2.2 4.4 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率600W，扫描速度1200mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例2
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.008 0.03 0.44 0.005 0.005 15 15 4.8 0.35 1.5 4.5 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率600W，扫描速度1200mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例3
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.008 0.03 0.44 0.005 0.005 15 15 4.8 0.35 1.1 4.4 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率600W，扫描速度1200mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例4
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.008 0.03 0.44 0.005 0.005 15 15 4.8 0.35 1.5 3 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率600W，扫描速度1200mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例5
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.008 0.03 0.44 0.005 0.005 15 15 4.8 0.35 1.8 3.6 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率600W，扫描速度1200mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例6
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.005 0.05 0.38 0.001 0.001 17 16.5 5.6 0.25 2.2 4.4 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率400W，扫描速度1000mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例7
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.006 0.04 0.38 0.001 0.001 15 15 4 0.3 2.2 4.4 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率400W，扫描速度1000mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施例8
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
成分 C Si Mn S P Mo Cr Fe V Co W Ni
重量/％ 0.009 0.04 0.17 0.003 0.002 16.7 15.8 7 0.33 1.5 3 余量
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率500W，扫描速度1100mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
实施对比例1-6均与实施例1对比：
一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，包括以下重量份数的原料：
Figure BDA0003327636360000051
上述实施对比例1-6均采用如下的制备方法，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取15μm-45μm粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；其中，激光参数为：激光功率600W，扫描速度1200mm/s，线间距0.1-0.12mm；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
分别测定本发明实施例1-8、实施对比例1-6制备的加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的物理性能，结果如表1所示。
表1各实施例物理测试性能
Figure BDA0003327636360000052
Figure BDA0003327636360000061
首先，从表1中可以看出，本发明的加氢反应器装备用高纯镍基合金材料在焊接热应力开裂上具有明显效果；
第二，本发明的加氢反应器装备用高纯镍基合金材料在耐氯化物腐蚀上具有明显的性能优势；
第三，本发明的加氢反应器装备用高纯镍基合金材料在力学性能上(包括硬度、抗拉强度、耐磨性)具有明显优势。
其中测试方法如下：
(1)焊接热裂：施焊完成后先进行焊缝外观检查，合格之后采用100％χ射线探伤。
(2)维氏硬度：采用MH-5-VM显微硬度计(上海恒益)对复合材料进行硬度测试，在载荷为3N、停留时间为5s的条件下进行，每个试样至少测量10次以减小试验误差并给出平均值。
(3)耐腐蚀：按照YB/T 5362法所描述的方法进行测试。YB/T 5362法(应力腐蚀试验):取2mm×3mm×30mm(厚×宽×长)试样3件做氯化物应力腐蚀试验，加载应力为210MPa。
(4)耐磨性：利用UMT-3型球-盘式高温摩擦磨损试验机测试复合材料的摩擦磨损性能，固定的上试样为Al2O3陶瓷球(Φ10mm，HV 16.5GPa)，下圆盘试样为Ni基复合材料(Φ24mm×3mm).试验参数如下：载荷20N，转速200r/min，旋转半径5mm，滑动时间60min，大气气氛，选择试验温度为室温和800℃.摩擦测试的样品均经过800#的砂纸研磨，表面粗糙度在0.6μm左右，同一试样至少进行两次测试并取平均值。摩擦系数由设备自带软件记录，磨损率的计算方法如下：
ω＝2πRS N-1L-1
式中：ω为磨损率，单位mm3/(Nm)；R为磨痕半径，单位mm；S为磨痕横截面积，单位mm2，可通过非接触式光学轮廓仪(MicroXAM-800)测量，为确保试验结果的可靠性，测量12个截面得到磨痕的平均轮廓面积；N为载荷，单位N；L为总滑动距离，单位m。摩擦试验后，利用SEM观察摩擦磨损表面形貌。
(5)机械强度：采用Instron 5582型万能材料试验机测试镍基复合材料在RT、800℃下的拉伸性能，试验依据国标(GB/T 228.1-2010，GB/T 228.2-2015)进行。试样为薄板状，测试参数采用拉伸速率为屈服前0.3mm/min，屈服后2.3mm/min，为保证试验结果的可重复性，测试3次后给出平均值。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其特征在于：包括以下重量份数的原料：
C＜0.01％、Si＜0.08％、Mn＜0.5％、S＜0.01％、P＜0.01％、Mo：15％-17％、Cr：15％-16.5％、Fe：4％-7％、V＜0.35％、Co＜2.5％、W：3％-4.5％、Ni余量。
2.根据权利要求1所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其特征在于：所述Fe与W总量不超过10％。
3.根据权利要求1所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其特征在于：所述Co与W重量比为1:2-1:4。
4.根据权利要求3所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其特征在于：所述Co与W重量比为1:2。
5.根据权利要求1所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其特征在于：所述C、S、P总量不超过0.02％。
6.根据权利要求1所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料，其特征在于：所述V的含量为0.25％-0.35％。
7.一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取合适粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
8.根据权利要求7所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，其特征在于，所述筛粉步骤选取的是粒径在15μm-45μm的粉末。
9.根据权利要求7所述的一种加氢反应器装备用高纯镍基合金材料的制备方法，其特征在于，所述成型步骤时激光参数为：激光功率400-600W，扫描速度1000-1200mm/s，线间距0.1-0.12mm。
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